Flash Memory and SSD¶

Flash Memory 란?¶

Flash Memory는

Read 의 경우에는 Random Access Memory (RAM) 와 일부 (NOR Flash) 유사하게 동작하며,
Write 의 경우에는 Block Device 와 비슷하게 동작하는

Secondary Memory Device.

읽기의 경우, RAM 과 같이 Random Access ( or 그와 유사한) 동작이 가능하며,
쓰기의 경우, Page 단위로 쓰이고 Erase Before Write 특성을 가지는
(ROM 과 같은) Non-Volatile Memory 임.

널리 사용되고 있는 Secondary Memory Device 임.

Solid State Disk (SSD) 란?¶

Solid State Disk (SSD)는

Flash memory를 Disk Drive 형태로 패키징하면서,
Wear Leveling Processor 를 추가하여

HDD 처럼 Flash memory를 사용하게 한 것.

특징.¶

전기적으로 내용 변경 및 일괄 소거도 가능.
- EEPROM의 일종.
- 기존의 EEPROM은 Byte 단위로 읽기/쓰기/지우기 가 가능했음.
- Flash Memory는 Page, Block 단위로 처리됨
Cell이 저장할 수 있는 Bit의 크기에 따라 다음으로 구분.
- Single-Level Cell(SLC) : 1bit/cell 저장 (=1BPC)
- Multi-Level Cell(MLC) : 2bit/cell 저장 (=2BPC)
- Triple-Level Cell(TLC) : 3bit/cell 저장 (=3BPC)
- Quad-Level Cell(QLC) : 4bit/cell 저장 (=4BPC)
- 참고0: BPC가 커질수록 read time이 커짐(=느려짐)
- 참고1: BPC가 커질수록 동시에 수명도 짧아짐.
Cell을 직렬로 연결할지 병렬로 연결할지에 따라 NAND Flash와 `NOR Flash로 구성됨.
- NAND Flash: 직렬연결. 높은 데이터 밀도와 고용량.
- NOR Flash: 병렬연결, 빠른 읽기(Random Access)
일부 RAM 과 유사한 읽기 동작.
- NOR Flash 의 경우, 1bit를 담고 있는 Cell 별로 읽기 가능.
- 주로 사용되는 NAND Flash 의 경우, Page 단위로 읽기를 지원.
- Page는 초기 512 bytes 였으나 현재는 4~16 KB 정도임.
읽기 / 쓰기 / 지우기 단위
- 읽기:
  - NOR Flash에서는 Cell 별로 가능.
  - NAND Flash에서는 Cell 들이 모인 Page가 기본 읽기 단위임.
- 쓰기:
  - 데이터가 쓰여 있지 않은 영역에 쓰기는 Page가 기본 단위.
  - Flash는 데이터가 쓰여져 있을 경우, 지우고 나서만 쓸 수 있는 특징(Erase Before Write)으로 인해 Block 단위로 동작.
  - 1개의 Block은 일반적으로 64, 128 또는 256 개의 Pages로 구성.
- 지우기:
  - Block 단위로 이루어짐.
- 참고: Memory : Page and Column 참고 내용
전원이 나가도 기억 유지: Non-Volatile Memory
- DRAM 과 유사하게 bucket(=MOSFET+Floating Gate Transistor) 에 전자를 담아 기억하는 방식
  - DRAM에서는 capacitor에 전자가 저장.
  - Flash Memory에서는 Floating Gatge에 전자가 저장.
- 하지만, DRAM과 달리 전자가 잘 새지 않음 (전원을 공급할 필요 없음. 10년 가량 기억 가능)
- 단, 기존 데이터가 기록된 상태에서 1에서 0로 직접 변경이 안 됨 (Cell별)
  - 0에서 1은 전압변화로 전자를 방출시킴으로 쉽게 처리됨.
  - 하지만 1에서 0 (=program 쓰기동작)은 전자를 셀에 주입하는 것이 불가능함.
- 때문에 기존 데이터를 다 지우고 (모조리 1로 초기화) 다시 쓰는 형태로 처리 됨 (Erase Before Write).
읽기/쓰기 횟수가 있으나 전기적으로 여러 차례 가능함.
- 데이터를 저장하는 Cell 하나당 쓰고 지우는 횟수의 한계가 존재함.
  - BPC가 높을수록 수명이 짧아짐.
  - 예를 들어, SLC의 경우 10만번 정도의 수명이고 TLC의 경우 1000번 정도의 수명임 (확률적임)
- Flash memory를 Disk Drive 형태로 패키징 한 SSD에서는 Cell들을 Block으로 묶고, 이들 블록이 몇차례 기록이 되었는지를 카운트하여 구성 Block들이 쓰고 지워진 횟수를 일정하게 유지시키는 Wear Leveling Processor가 있음.

Flash Memory 종류¶

NAND Flash¶

Cell을 직렬로 연결한 방식 으로 NOR Flash에 비교하여

Read Time이 느린 단점을 가지나 (Page 단위로 읽어들임),
Program(=Write)와 Erase Time이 각각 Page, Block 단위로 이루어짐에 따라 매우 빠름.

Random Access (Cell별 읽기)가 안된다는 단점이 있으나,

각 Cell에 대한 개별 접근을 위해 요구되는 회로가 없기 때문에
하나의 Cell이 차지하는 면적이 NOR Flash 대비 매우 작아서
높은 집적화와 함께 단위 저장용량에 대해 낮은 제조 단가를 가능하게 함.

저장 매체에 적합한 NAND Flash Memory

소형화 및 대용량화 에 유리하면서
저장용량당 단가가 낮음.
단, Read Speed가 높지 않아 RAM과 같은 용도로는 사용하기 어려움.

NAND Flash는 높은 집적도의 경제성을 가진 storage 제품을 가능하게 함.
현재 NAND방식은 대용량 Flash Memory 시장에서 가장 널리 사용됨.

NOR Flash¶

Cell을 병렬로 연결한 방식 으로, NAND Flash에 비해

Random Access를 통한 Read Time이 훨씬 (6-7배 정도) 빠르지만,
Program (=Write)과 Erase가 Cell단위로 이루어지다보니
쓰기와 지우기에서 NAND에 비해 매우 느린 단점을 가짐.
즉, 개별 Cell로 작업이 이루어지기 때문에 대용량의 데이터를 쓰거나 지우는 등의 경우 상대적으로 느리다는 단점을 가짐.

Cell별로 Read가 이루어지다보니 Random Access가 가능하다라는 장점이 있으나,

Cell 마다 요구되는 회로로 인해 낮은 집적도와 용량당 높은 제조단가를 가지는 단점을 가짐.
저장장치로는 NAND 방식에 밀린 상태.
부트로더, Firmware 등과 같이 작은 용량의 데이터를 저장하면서 빠른 읽기 속도가 필요한 경우에 사용됨.

Micro-Controller 의 부트로더 등에 활용도가 높음.

Solid State Disk (SSD)¶

SSD의 경우, 최근 HDD를 대체하고 있는 추세임.

AI 시대가 되면서 데이터 센터에서도 SSD를 사용하는 추세가 증가하기 시작.

이미 노트북 등의 시장에서는 SSD가 대세로 자리잡음.
HDD 대비 빠른 읽기/쓰기 가 가능하며 낮은 발열과 소음 이라는 장점을 가짐.
주로 대용량 저장을 위한 NAND Flash로 구성됨.
Wear Leveling Processor를 통해, 전체 device의 읽기/쓰기의 수명을 연장하며 데이터 손실 및 오류 가능성을 줄임.

Flash Memory의 각 cell 은 일정 횟수의 프로그래밍 및 삭제 작업만이 가능함.
특정 횟수 이상 쓰기/지우기 가 이루어질 경우 수명이 종료되며,
이같은 읽고 쓰여진 정도를 Wear Level 이라고 부름.

데이터가 자주 업데이트되어 일부 cell이 지나치게 너무 빨리 수명이 종료될 경우
전체 SSD의 저장능력에 문제가 되므로
Wear Level Processor는 모든 Cell의 Wear Level이 균일하게 되도록 도와줌.

References¶

나무위키's Flash Memory